지진파 - P파와 S파 이해하기

여러가지 원인에 의해 발생하는 지진은 일반적으로 지표면에 사는 인간과 생명체에 많은 피해를 줍니다. 하지만, 지진파를 잘 활용하면 지하 내부 물질의 분포, 물질의 종류 등을 알아낼 수 있는 좋은 도구가 될 수 있습니다. 오늘은 이 중에서도 P파와 S파에 대한 이야기를 해 보고자 합니다.

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판 구조론 - 판의 경계에서 발생하는 지진

  1. 지진파의 종류

  지진파는 크게 지하 내부를 진행하는 실체파와 지표면을 따라 진행하는 표면파로 구분합니다. 실체파는 다시 파의 진행 패턴에 따라 종파인 p(primary)파와 횡파인 s(secondary)파로 구분하며, 표면파 역시 진행 패턴에 따라 러브파(Love)와 레일리파(Rayleigh)로 구분합니다. 주로 지하 내부탐사를 하는데 이용하는 파는, 지하를 따라 통과하는 P파와 S파이며, 이에 과학자들도 P파와 S파를 이용한 연구를 많이 합니다.

  2. P파

지진기록계에 가장 먼저 도착하는 파입니다. 다른 파 보다 가장 속도가 빠르니까 가장 먼저 도착하는 것인데, 파의 진행 방향과 매질의 진동방향이 평행합니다. 따라서 파면에 대해서는 매질의 진동방향이 수직이 됩니다.

위 그림은 P파가 진행하는 패턴을 잘 보여주고 있는 영상입니다. 매질이 파가 진행하는 방향으로 진동하는데, 이때 매질은 압축과 팽창을 합니다. 이런 형태로 진행을 하기 때문에 파의 진행방향과 매질의 진동방향이 평행하다 이야기 하는 것이구요. 하지만 보통 위와 같은 그림만 소개가 되어 지진파의 본질을 잊는 경우가 있습니다. 지진파는 땅을 매질로 하는 어디까지나 파동입니다. 따라서 파원으로부터 구의 형태로 퍼져나가는 패턴역시 동일합니다.

위 그림과 같이 진원에서 지진이 발생하면 지진파는 구의 형태로 펴져나갈 것이고, 이 때 파의 진행방향과 매질의 진동방향은 평행합니다. 동시에 파원과 매질의 진동방향은 수직이 됩니다.

 

P파의 진행방식을 정확히 이해하기 위해서는 수식을 보는 것이 도움이 됩니다. 그래서 아래 식을 준비하였습니다. 아래 식은 P파의 속도를 나타낸 일반적인 식입니다.

여기서 k는 체적탄성계수, μ는 전단계수이며, ρ는 밀도입니다. 체적탄성계수는 부피 변형에 대한 물질의 저항정도를 나타내는데, 아래 그림처럼 외부압력이 증가하면 부피가 감소할 것입니다. 부피가 적게 감소하면 체적탄성계수는 커집니다. 아래의 오른쪽 그림은 전단변형을 나타내는 예입니다. 물질을 옆으로 탁 밀면 물질이 그림처럼 Δx만큼 옆으로 밀릴 것입니다. 이 때 물질이 전단변형을 일으키는 힘에 저항을 잘 하면 Δx가 작아지고, 이때 전단계수 μ는 커 집니다.

종합하면, 물질이 저항을 잘 할 수록, 변형이 작고, 이때 지진파의 속도가 빨라집니다. 무른 아이는 심하게 변형되나 파의 전파 속도는 느리구요. 이는 밀도와도 밀접하게 연관되어 있습니다. 밀도가 높다는건 그만큼 조직이 치밀하고 빽빽하다는 소리입니다. 따라서 보통은 물질의 밀도가 증가하면 체적탄성계수와 전단계수가 증가하게 되고, 때문에 지진파의 속도는 빨라지게되는것입니다. 이같은 이유로 보통 지구 내부로 들어갈 수록 지진파의 속도는 증가하게 됩니다.

 

체적탄성계수와 전단계수의 물리적 표현은 글 맨 아래에 써 두겠습니다.

 

아래 그림은 P파가 진행하는 방식의 또다른 그림입니다. 맨 위의 움직이는 영상과 같은 내용이니 그냥 참고만 하시면 됩니다.

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  3. S파

다음으로 볼 파는 S파입니다. S파는 위 그림처럼 매질의 진동방향과 파의 진행방향이 수직인데, 이런 패턴으로 진행하는 파는 모두 횡파라고 부릅니다. 저런식으로 진동하다보니, 파의 진동방향은 진행방향에 대해서는 수직이지만, 파면에 대해서는 수평방향으로 진동하게 됩니다. 아래 그림을 보면 그 관계를 충분히 이해할 수 있을 것입니다.

그런데 S파의 진행 패턴을 잘 보면 P파와 크게 다른점이 하나 있는데, 바로 매질의 부피변화는 없이 오로지 앞에 있는 매질을 밀기만 한다는 점입니다. 위의 짤을 보아도 확연히 보이는데, 검정색 네모의 부피는 전혀 변화하지 않은채로, 검정색 네모가 위아래로만 움직이며 파가 전달됩니다(물론 모양의 변화는 있습니다. 하지만 부피는 변하지 않아요). 그래서 S파의 공식에는 체적탄성계수인 k는 없고 전단계수인  μ만 존재합니다. 아래 식이 S파의 속도공식입니다.

그런데, 이런 S파의 진행 특성 때문에, 희안한 일이 발생합니다. 기본적으로 파는 원래상태로 복원되어야 파동에너지를 전달할 수 있습니다. 용수철을 흔들어서 파를 만들때도 용수철은 다시 원래 상태로 돌아입니다. 63빌딩이 바람에 의해 흔들리면, 다시 원래상태로 돌아오는것도 마찬가지입니다.

다시 말씀드리지만 파가 전달되기 위해서는 반드시 원래상태로 돌아와야 합니다. 그런데 S파는 매질의 압축이나 팽창, 다시말해 부피변화는 전혀 없이 오로지 앞에 있는 매질을 밀기만 합니다. 물과 같은 액체를 생각해 보면, 수영장같은 곳에서 물 표면을 손바닥으로 강하게 밀면 밀려난 물은 다시는 돌아오지 않습니다. 이렇게 미는 힘들 전단력이라하는데, 액체와 기체는 전단력에 대하여 전혀 저항을 못합니다. 아래의 오른쪽 그림에서 Δx가 무한대가 되어버리는 꼴입니다. 그래서 앞서 본 전단계수가 0이 되어버립니다.

이런 연유로, S파는 액체와 기체를 통과하지 못하고 오로지 고체만을 통과하게 됩니다.

 

그렇다면, P파가 더 빠른 이유는? 공식만 놓고 보면, P파는 진행과정에 탄성변형과 전단변형을 모두 사용합니다. 진행 과정에 두가지가 사용되니 훨씬 더 빠릅니다. 그리고 P파는 매질의 진동방향과 진행방향이 평행입니다. 그래서 수직으로 진동하는 S파보다 훨씬 효율적으로 에너지를 전달할 수 있는 것입니다. 아래 그림은 S파를 나타내는 또 다른 그림이니 참고 하세요.ㅎㅎ

  4. 지구에서 P파와 S파의 속도

지구에서 나타나는 p파와 s파의 속도는 지각, 맨틀, 외, 내핵, 등 깊이에 따라 크게 다릅니다. 보통 지각에서 P파는 6~7km/s 정도의 속도를 보이며 ,S파의 속도는 대략 P파의 속도에 0.6을 곱하면 됩니다. 표면파는 P파의 속도에 0.5 정도를 곱하면 됩니다. 보통은 지하 내부로 들어가며 밀도가 증가하고 이로인해 지진파의 속도가 빨라집니다. 물론 약간의 유동성이 나타나는 저속도층, 아예 액체로 되어있는 외핵의 경우 속도가 급격히 느려지기는 합니다.

위 그림은 지구 내부로 들어갈 수록 나타나는 밀도 변화에 대한 그래프입니다. 밀도의 불연속이 존재하는 하지만 대체로 밀도는 깊어질수록 증가하는 경향을 보입니다.

이에 지진파의 속도는 일반적으로 증가합니다. 다만 앞서 이야기한 것 처럼 외핵은 액체, 저속도층은 유달리 물성이 약한 탓에 이 구간에서만 지진파의 속도가 느려지는 경향을 보입니다.

 

다음 포스팅에서는 지구 내부를 탐사하는 실질적인 지진파 사용 방법에 대한 원리, 즉 주시곡선과 임계굴절파, 반사파에 대한 내용을 다루어 보겠습니다.